การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) เชื่อมต่อแผ่นรองบนชิปที่หงายหน้าขึ้นกับโครงตะกั่วหรือแผ่นรองรับโดยใช้ลวดเส้นเล็ก ในขณะที่การเชื่อมต่อแบบฟลิปชิป (Flip chip) เชื่อมต่อชิปที่คว่ำหน้าลงโดยใช้ปุ่มหรือเสา การเลือกใช้วิธีใดวิธีหนึ่งจะมีผลต่อการเดินสายไฟฟ้า โครงสร้างของบรรจุภัณฑ์ กระบวนการประกอบ และต้นทุน แต่ไม่มีวิธีใดที่ดีที่สุดสำหรับทุกอุปกรณ์
คำถามเชิงปฏิบัติคือ ตัวเชื่อมต่อแบบใดแบบหนึ่งสามารถตอบสนองความต้องการด้านไฟฟ้า กลไก และความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ได้ในราคาต้นทุนการผลิตที่ยอมรับได้หรือไม่ การตัดสินใจนั้นเริ่มต้นจากการออกแบบชิปและบรรจุภัณฑ์
รูปที่ 1. โครงสร้างการเชื่อมต่อด้วยลวดและฟลิปชิปทั่วไป ภาพตัดขวางแบบง่าย โดยไม่แสดงส่วนห่อหุ้ม
ภาพรวมของฟลิปชิปและการเชื่อมต่อด้วยลวด
| การพิจารณา | การเชื่อมต่อสายไฟ | ฟลิปชิป |
|---|---|---|
| การวางแนวแม่พิมพ์ | โดยทั่วไปพื้นผิวที่ใช้งานจะหันขึ้นด้านบน | พื้นผิวที่ใช้งานหันเข้าหาพื้นผิวรับ |
| การเชื่อมต่อ | สายไฟขนาดเล็กเชื่อมระหว่างแผ่นรองแม่พิมพ์และขั้วต่อของแพ็คเกจ | ส่วนนูนหรือเสาที่อยู่ระหว่างแผ่นชิปและแผ่นรองพื้นผิว |
| การจัดเรียงแผ่นรอง | โดยทั่วไปจะอยู่ใกล้ขอบแม่พิมพ์ | การเชื่อมต่อแบบรอบนอกหรือแบบอาร์เรย์พื้นที่ |
| เส้นทางไฟฟ้า | ขึ้นอยู่กับความยาวของสายไฟ รูปทรงของวงจร และวิธีการเดินสาย | การเชื่อมต่อแนวตั้งระยะสั้นสามารถลดค่าพาราสิตของการเชื่อมต่อได้ |
| การเตรียมแม่พิมพ์ | แผ่นรองยึดและโลหะวิทยาที่เข้ากันได้ | โครงสร้างที่เข้ากันได้ เช่น กันชนหรือเสา |
| ข้อกังวลในการประกอบ | คุณภาพการยึดติด ระยะห่างของวงจร การกวาดของสายไฟ และความเสียหายของแผ่นรอง | การจัดแนว การอยู่ในระนาบเดียวกัน การก่อตัวของรอยต่อ และการบิดเบี้ยว |
| ประสิทธิภาพทางความร้อน | ขึ้นอยู่กับแพ็คเกจโดยรวมและระบบระบายความร้อน | ขึ้นอยู่กับแพ็คเกจโดยรวมและระบบระบายความร้อน |
| ต้นทุน | การติดชิ้นส่วน การเชื่อมต่อสายไฟ วัสดุ การตรวจสอบ และผลผลิต | การกระแทก การเตรียมพื้นผิว การยึดติด การเติมช่องว่างที่จำเป็น การตรวจสอบ และผลผลิต |
ความแตกต่างเหล่านี้อธิบายถึงโครงสร้างทั่วไป รายละเอียดของบรรจุภัณฑ์แต่ละชิ้นยังคงต้องตรวจสอบเพิ่มเติม
มีการเปลี่ยนแปลงอะไรบ้างในกระบวนการประกอบ?
การเชื่อมต่อด้วยลวดจะแยกการยึดชิ้นส่วนออกจากการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า
ในการประกอบแบบเชื่อมต่อด้วยลวดทั่วไป ขั้นแรกจะเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับตัวยึด เครื่องเชื่อมลวด จากนั้นจึงเชื่อมต่อแผ่นรองชิปเข้ากับขั้วต่อของตัวแพ็คเกจ
ลวดทองคำ ทองแดง อะลูมิเนียม และโลหะผสมเงิน เป็นหนึ่งในวัสดุที่สามารถเลือกใช้ได้ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับโลหะวิทยาของแผ่นรอง ความต้องการของบรรจุภัณฑ์ ความสามารถของอุปกรณ์ และกระบวนการที่ได้มาตรฐาน
กระบวนการที่ใช้งานได้จริงต้องควบคุมมากกว่าแค่การวางตำแหน่งของพันธะ รูปทรงของห่วง ระยะห่างของลวด ความแข็งแรงของพันธะ และการทำงานร่วมกับขั้นตอนการห่อหุ้มในภายหลัง ล้วนมีความสำคัญ
การเปลี่ยนผลิตภัณฑ์อาจต้องใช้เครื่องมือ การตั้งค่าสายไฟ โปรแกรมวงจร หรือการตรวจสอบคุณสมบัติวัสดุที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงโปรแกรมเพียงอย่างเดียวไม่ได้หมายความว่าชิ้นส่วนประกอบใหม่พร้อมสำหรับการผลิตแล้ว
ฟลิปชิปย้ายอินเทอร์เฟซไฟฟ้าไปไว้ใต้ชิป
ในกระบวนการประกอบแบบฟลิปชิป ตัวเชื่อมต่อจะอยู่ระหว่างพื้นผิวที่ใช้งานของชิปและพื้นผิวรับสัญญาณ
ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยี กระบวนการประกอบอาจเกี่ยวข้องกับการวางชิ้นส่วนแล้วตามด้วยการเชื่อมแบบรีโฟลว์ การเชื่อมแบบเทอร์โมคอมเพรสชั่น หรือกระบวนการเชื่อมต่ออื่น ๆ ที่ได้มาตรฐาน นอกจากนี้ วัสดุรองพื้นหรือวัสดุที่เกี่ยวข้องอาจเป็นส่วนหนึ่งของการสร้างบรรจุภัณฑ์ด้วย
เอ ฟลิปชิปบอนเดอร์ ต้องประเมินเทียบกับขั้นตอนการประกอบที่กำหนดไว้ การวางตำแหน่งที่ถูกต้องเพียงอย่างเดียวไม่ได้พิสูจน์ว่ากระบวนการทั้งหมดจะสามารถสร้างข้อต่อที่แข็งแรงทนทานได้
ก่อนเลือกใช้อุปกรณ์ ควรตรวจสอบให้แน่ใจก่อนว่าใครเป็นผู้จัดหาแม่พิมพ์ขึ้นรูป วิธีการขึ้นรูปข้อต่อ และขั้นตอนการผลิตถัดไปที่เกิดขึ้นในสายการผลิตนั้นมีอะไรบ้าง
ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า: ข้อดีของการเชื่อมต่อที่สั้นกว่า
สายเชื่อมต่อก่อให้เกิดผลทางไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับความยาว รูปร่าง ระยะห่าง และความสัมพันธ์กับบรรจุภัณฑ์โดยรอบ
การเชื่อมต่อแบบฟลิปชิปสามารถลดระยะทางระหว่างชิปและซับสเตรตได้ ซึ่งเป็นประโยชน์ในกรณีที่ค่าความเหนี่ยวนำของการเชื่อมต่อ การจ่ายพลังงาน หรือความหนาแน่นของการเดินสายเป็นข้อจำกัดในการออกแบบ
อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อที่สั้นลงไม่ได้หมายความว่าประสิทธิภาพของระบบจะดีขึ้นเสมอไป การจัดวางเส้นทางของวัสดุรองรับ เส้นทางส่งกลับ การกระจายพลังงาน และการเปลี่ยนผ่านของบรรจุภัณฑ์ยังคงมีความสำคัญ
เปรียบเทียบโครงสร้างทั้งสองแบบโดยพิจารณาจากข้อกำหนดเดียวกัน:
ความถี่ของสัญญาณและเวลาเพิ่มขึ้นของสัญญาณ
ค่าการสูญเสียและการเชื่อมต่อที่อนุญาต
ระบบไฟฟ้าและการต่อสายดิน
ข้อกำหนดปัจจุบัน
ข้อจำกัดในการกำหนดเส้นทางการจัดส่งพัสดุ
การเชื่อมต่อด้วยลวด (Wire bonding) ยังคงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความต้องการสูงหลายประเภท เมื่อการออกแบบบรรจุภัณฑ์และการเชื่อมต่อได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม การเปรียบเทียบจำเป็นต้องใช้แบบจำลองทางไฟฟ้า มากกว่าการสันนิษฐานทั่วไปว่าเทคโนโลยีใดมีความก้าวหน้ากว่ากัน
ความหนาแน่นของอินพุต/เอาต์พุต: หลีกเลี่ยงเกณฑ์การสลับแบบสากล
การเชื่อมต่อด้วยลวดมักเข้าถึงแผ่นรองรอบขอบชิป การเพิ่มจำนวนการเชื่อมต่ออาจทำให้เกิดข้อจำกัดเกี่ยวกับระยะห่างระหว่างแผ่นรอง ระยะห่างของลวด และการจัดวางสายไฟในแพ็คเกจ
เทคโนโลยีฟลิปชิปสามารถกระจายการเชื่อมต่อไปยังพื้นที่ผิวของชิปได้มากขึ้น ทำให้มีโอกาสในการจัดวางเส้นทางสำหรับการเชื่อมต่อสัญญาณและพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงขึ้น
ไม่มีจำนวนอินพุต/เอาต์พุต (I/O) ที่แน่นอนที่จะกำหนดว่าผลิตภัณฑ์ทุกชิ้นจะต้องเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีใด ความเป็นไปได้ขึ้นอยู่กับขนาดของชิป การจัดเรียงแผ่นรอง การประกอบ และกฎการกำหนดเส้นทาง
ก่อนที่จะนำเทคโนโลยีฟลิปชิปมาใช้เป็นวิธีแก้ปัญหาด้านอินพุต/เอาต์พุต โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าเค้าโครงของชิปและวัสดุรองรับรองรับการจัดเรียงการเชื่อมต่อที่เสนอไว้ วิธีการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันอาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงแพ็คเกจและแผนการตรวจสอบคุณภาพด้วย
ประสิทธิภาพทางความร้อน: ติดตามเส้นทางการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด
การกำหนดข้อได้เปรียบทางความร้อนที่แน่นอนให้กับวิธีการใดวิธีการหนึ่งนั้นเป็นสิ่งที่ทำให้เข้าใจผิด
ในแพ็คเกจการเชื่อมต่อด้วยลวดทั่วไป ความร้อนสามารถเดินทางจากด้านหลังของชิปผ่านวัสดุเชื่อมต่อชิปไปยังโครงลวด แผ่นรองที่เปิดโล่ง หรือพื้นผิวได้ ประสิทธิภาพของเส้นทางนั้นขึ้นอยู่กับแพ็คเกจและการเชื่อมต่อกับแผงวงจรหรือระบบระบายความร้อน
โครงสร้างแบบฟลิปชิปอาจช่วยให้ระบายความร้อนผ่านด้านหลังของชิปที่เปิดโล่งได้ ความร้อนยังสามารถถ่ายเทผ่านโครงสร้างการเชื่อมต่อและวัสดุรองรับได้อีกด้วย
การเปรียบเทียบที่มีความหมายจะระบุถึง:
บริเวณที่เกิดความร้อน
พื้นผิวใดบ้างที่เชื่อมต่อกับระบบระบายความร้อน
ค่าความต้านทานความร้อนของชุดประกอบทั้งหมด
เงื่อนไขการเปิดปิดพลังงานและอุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง
ความเค้นเชิงกลที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ
ภาพตัดขวางของบรรจุภัณฑ์และเงื่อนไขการระบายความร้อนที่กำหนดไว้จะให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากกว่าการกล่าวอ้างอย่างกว้างๆ ว่าวิธีการเชื่อมต่อแบบใดแบบหนึ่งให้ผลลัพธ์ที่เย็นกว่า
วิธีไหนประหยัดค่าใช้จ่ายกว่ากัน?
การเชื่อมต่อด้วยลวดสามารถเป็นทางเลือกที่ประหยัดได้เมื่อชิปมีแผ่นรองที่เข้ากันได้อยู่แล้ว แพ็คเกจได้รับการจัดตั้งขึ้นแล้ว และมีกำลังการผลิตสำหรับการประกอบ
เทคโนโลยีฟลิปชิปอาจทำให้เกิดปัญหาเรื่องการเชื่อมต่อชิ้นส่วน การใช้วัสดุรองรับที่แตกต่างกัน ข้อกำหนดด้านการจัดเรียงที่เข้มงวดมากขึ้น และวัสดุหรือขั้นตอนการตรวจสอบเพิ่มเติม ต้นทุนเหล่านี้ต้องนำมาพิจารณาเปรียบเทียบกับต้นทุนที่อาจประหยัดได้ในด้านอื่นๆ รวมถึงขนาดของบรรจุภัณฑ์และการจัดวางเส้นทาง
เปรียบเทียบต้นทุนต่อแพ็คเกจที่รับแล้ว แทนที่จะเปรียบเทียบราคาซื้อของผู้ให้บริการงานเชื่อมประสาน
| พื้นที่ต้นทุน | คำถามที่ต้องแก้ไข |
|---|---|
| การเตรียมแม่พิมพ์ | จำเป็นต้องมีการประมวลผลระดับเวเฟอร์เพิ่มเติมหรือไม่? |
| วัสดุบรรจุภัณฑ์ | ต้องใช้วัสดุอะไรบ้างสำหรับพื้นผิว โครงลวด และวัสดุเชื่อมต่อ? |
| การประกอบ | ต้องใช้เครื่องจักรและขั้นตอนการผลิตใดบ้าง? |
| การตรวจสอบ | จะมีการประเมินข้อต่อที่เกี่ยวข้องอย่างไร? |
| ผลผลิต | การสูญเสียในการประกอบชิ้นส่วนอาจเกิดขึ้นได้ที่ใดบ้าง? |
| คุณสมบัติ | ต้องมีการทดสอบและงานด้านวิศวกรรมอะไรบ้าง? |
| การเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์ | อะไรเปลี่ยนแปลงไปบ้างเมื่อมีการปรับปรุงแม่พิมพ์หรือบรรจุภัณฑ์? |
สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่แล้ว ต้นทุนในการปรับเปลี่ยนอาจสูงมาก แม้ว่ากระบวนการทางเลือกจะดูน่าสนใจเมื่อพิจารณาเพียงอย่างเดียวก็ตาม
ความน่าเชื่อถือขึ้นอยู่กับโครงสร้าง
การตรวจสอบคุณสมบัติการเชื่อมต่อลวดอาจตรวจสอบการหลุดลอกของพันธะ การแตกร้าวของฐานรอง ความเสียหายของแผ่นรอง การกัดกร่อน และการเคลื่อนตัวของลวดระหว่างการห่อหุ้ม
การตรวจสอบคุณสมบัติของฟลิปชิปอาจตรวจสอบความล้าของข้อต่อ ความล้มเหลวของส่วนต่อประสาน พฤติกรรมการเติมวัสดุไม่เต็ม การเกิดช่องว่าง และการบิดเบี้ยว
ทั้งสองรายการไม่ได้ระบุว่าเทคโนโลยีใดมีความน่าเชื่อถือมากกว่ากันโดยเนื้อแท้ วัสดุ โครงสร้าง การควบคุมกระบวนการ และสภาพแวดล้อมในการทำงาน ล้วนเป็นตัวกำหนดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้อง
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การสัมผัสความชื้น การรับน้ำหนักทางกล และการสูญเสียพลังงาน ควรได้รับการพิจารณาในแผนการรับรองคุณภาพของผลิตภัณฑ์
รูปที่ 2. เปรียบเทียบตัวเลือกบรรจุภัณฑ์กับข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์เดียวกันก่อนเลือกกระบวนการประกอบ
ลำดับการคัดเลือกเชิงปฏิบัติ
เริ่มต้นด้วยข้อจำกัดที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายๆ
หากชิปมีเฉพาะแผ่นเชื่อมต่อแบบใช้สายไฟ การแปลงเป็นฟลิปชิปอาจต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม หากการเชื่อมต่อที่หนาแน่นเป็นสิ่งสำคัญ ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากการเชื่อมต่อแบบใช้สายไฟอาจต้องใช้แพ็คเกจที่ใหญ่กว่าหรือแตกต่างไปจากเดิมอย่างมาก
จากนั้นเปรียบเทียบตัวเลือกที่เหลือผ่านการวิเคราะห์ทางไฟฟ้า การออกแบบทางความร้อน การทดสอบการประกอบ และการวางแผนการรับรองคุณภาพ
เมื่อเราพิจารณาข้อกำหนดของอุปกรณ์การเชื่อมต่อ ข้อมูลเริ่มต้นที่เป็นประโยชน์คือ รูปแบบของชิป โครงสร้างการเชื่อมต่อ วัสดุรองรับ กระบวนการเชื่อมต่อ และเป้าหมายการผลิต รายละเอียดเหล่านี้ช่วยในการกำหนดอุปกรณ์และกระบวนการสนับสนุนที่จำเป็น
คำถามที่พบบ่อย
ฟลิปชิปเหมือนกับ BGA หรือไม่?
ไม่ครับ Flip chip หมายถึงการเชื่อมต่อระหว่างชิปกับแผ่นรองรับ ส่วน BGA หมายถึงรูปแบบการเชื่อมต่อแบบแพ็คเกจภายนอก แพ็คเกจ BGA สามารถบรรจุชิปแบบ wire-bonded หรือ flip-chip ได้
สามารถแปลงชิปแบบไวร์บอนด์เป็นชิปฟลิปโดยตรงได้หรือไม่?
ไม่ใช่โดยอัตโนมัติ ต้องมีการประเมินโลหะวิทยาของแผ่นรอง การเชื่อมต่อ การจัดวาง การออกแบบพื้นผิว และการตรวจสอบคุณสมบัติของบรรจุภัณฑ์ก่อน
ชิปฟลิปชิปจำเป็นต้องมีสารเติมเต็มใต้ชิปเสมอหรือไม่?
ข้อกำหนดเกี่ยวกับวัสดุอุดช่องว่างขึ้นอยู่กับโครงสร้างของบรรจุภัณฑ์ วัสดุ และเป้าหมายด้านความน่าเชื่อถือ ตรวจสอบขั้นตอนการประกอบที่ผ่านการรับรองแล้ว
สามารถบรรจุเทคโนโลยีทั้งสองอย่างไว้ในแพ็กเกจเดียวได้หรือไม่?
ใช่แล้ว โครงสร้างแบบไฮบริดและแบบซ้อนสามารถผสานรวมการเชื่อมต่อแบบฟลิปชิปและแบบไวร์บอนด์เข้าด้วยกันได้
ควรตัดสินใจอะไรบ้างก่อนซื้ออุปกรณ์เชื่อมต่อ?
กำหนดกระบวนการประกอบ รูปแบบแม่พิมพ์และวัสดุรองรับ วัสดุ ข้อกำหนดการจัดแนว อุณหภูมิและแรงที่ต้องการ วิธีการจัดการ และเกณฑ์การยอมรับ
